Đang tải... (xem toàn văn)
Tài liệu tham khảo dành cho Giáo viên, sinh viên chuyên ngành cấp thoát nước. Kênh dẫn nước được đào trực tiếp trên mặt đất có hình dạng và kích thước khác nhau như hình thang, hình bán nguyệt, hình
105 Phần II máy bơm Chơng IX khái niệm chung về máy bơm Máy thuỷ lực là tên gọi chung cho tất cả các máy làm việc trên nguyên tắc trao đổi năng lợng với chất lỏng theo các nguyên lý thuỷ lực nói riêng và cơ học chất lỏng nói chung. Trong đó ngời ta phân ra hai loại chính : - Máy bơm : biến đổi cơ năng thành năng lợng của dòng chảy (áp năng và động năng). - Tuabin : nhận năng lợng của dòng chảy thành cơ năng kéo các máy công tác làm việc. Trong phạm vi giáo trình này chúng ta chỉ nghiên cứu một số loại máy bơm chủ yếu dùng trong nông nghiệp. 9.1. Vài nét về quá trình phát triển của máy bơm Từ cổ xa con ngời đ gắn liền cuộc sống của mình với nớc, đ tìm cách khai thác và sử dụng nớc. ở Việt Nam, Ân độ, Trung quốc ., từ lâu đời đ biết dùng năng lợng dòng nớc kéo các cối xay lơng thực, máy mài, khoan đá; guồng nớc để cung cấp nớc cho nơng ruộng, đời sống sinh hoạt . Mi đến thế kỷ thứ XVII và sau này mới có nhiều nhà bác học nghiên cứu một cách khoa học cơ sở lý thuyết về máy thuỷ lực nói chung và máy bơm nói riêng. Năm 1640 nhà vật lý học ngời Đức Otto-Henrich đ sáng chế ra bơm pittông đầu tiên để bơm khí và nớc dùng trong công nghiệp. Lomonoxop (1711-1765) là ngời đầu tiên dùng lý luận cơ học chất lỏng để cải tạo kết cấu guồng nớc có từ ngàn xa, nâng cao hiệu suất và công suất của nó. ơle (1707-1783) đ viết về lý thuyết cơ bản của tuabin nớc nói riêng và máy thuỷ lực cánh dẫn nói chung làm cơ sở cho các nhà bác học Phuocnayron, Xablucop, Jucopski . phát minh ra tua bin nớc và bơm ly tâm ở đầu thế kỷ XIX là những bớc nhảy lớn trong lịch sử các máy năng lợng. 106 Đặc biệt trong vòng 50 năm gần đây, lý thuyết về thuỷ khí động lực phát triển rất mạnh, có nhiều thành tựu to lớn và việc áp dụng những thành quả phát minh này trong lĩnh vực máy bơm vô cùng phong phú. Ngày nay, với tốc độ phát triển vũ bo của KHKT, đặc biệt là khoa học công nghệ, máy bơm có rất nhiều loại với nhiều kiểu khác nhau có cấu trúc ngày càng hoàn thiện, có hiệu suất ngày càng cao nhằm đáp ứng ngày càng đầy đủ mọi yêu cầu đòi hỏi của mọi lĩnh vực sản xuất đời sống và quốc phòng. 9.2. Công dụng và phân loại Máy bơm đợc ứng dụng rất rộng ri trong các lĩnh vực sản xuất và sinh hoạt. Trong công nghiệp, bơm để cấp thoát nớc, bơm các loại nguyên liệu lỏng ở các nhà máy cơ khí hoá chất, bơm dùng trong các công trình khai thác và vận chuyển quặng, dầu mỏ.v.v . Trong công nghiệp cơ khí, bơm đợc sử dụng phổ biến trong các hệ thống bôi trơn, làm nguội, nâng hạ, điều khiển, truyền động thuỷ lực . Trong nông nghiệp; bơm đợc dùng rộng ri trong các hệ thống thuỷ lợi để tới tiêu nớc cho cây trồng, cung cấp nớc cho chuồng trại chăn nuôi, cơ sở chế biến nông sản phẩm . Ngoài ra bơm cũng đợc dùng rộng ri trong các lĩnh vực giao thông vận tải, quốc phòng và sinh hoạt. Để tiện cho việc thiết kế, chế tạo và sử dụng, bơm đợc phân loại nh sau : a - Theo nguyên lý làm việc : - Bơm cánh dẫn : Bơm ly tâm, bơm hớng trục. - Bơm thể tích : bơm píttong, bơm rôto vv . - Bơm làm việc theo nguyên lý đặc biệt : Bơm nớc va, bơm khí ép, bơm phun tia vv . b - Theo công dụng, bơm đợc phân loại thành : - Bơm cấp thoát nớc - Bơm nhiên liệu - Bơm hoá chất - Bơm cứu hoả vv . c - Ngoài ra theo phạm vi cột áp hoặc lu lợng, ngời ta còn chia bơm thành các loại : bơm có cột cáp cao, thấp, trung bình hoặc bơm có l lợng lớn, trung bình, nhỏ. 9.3. Các thông số cơ bản của bơm 107 Ta xét một trờng hợp cụ thể, bơm làm việc trong một hệ thống đờng ống(hình9-1). 4P44Bể chứazdLống đẩyK1C2 3AĐộng cơzK1Bơm2ống hútzhP111Bể hút Hình 9 -1 Zh - Chiều cao hút là chiều cao từ mặt thoáng bể hút đến trục bơm; Zd - Chiều cao đẩy là chiều cao từ miệng ra của bơm đến mặt thoáng của bể chứa; Z - Chênh lệch độ cao giữa miệng vào và miệng ra của bơm; Z - Cao trình của bơm (chiều cao dâng chất lỏng của bơm) là độ chênh lệch giữa hai mặt thoáng bể hút và bể chứa; P1 - áp suất trên mặt thoáng bể hút P2 - áp suất tại miệng vào của bơm P3 - áp suất tại miệng ra của bơm P4 - áp suất trên mặt thoáng bể chứa C - Chân không kế (Vacummet), lắp ở miệng vào của bơm A - áp kế (manomet), lắp ở miệng ra của bơm K1 - Khoá trên ống hút K2 - Khoá trên ống đẩy L - Dụng cụ đo lu lợng Khi bơm làm việc, chất lỏng từ bể hút qua lới chắn rác theo ống hút đi vào bơm. Sau khi đi qua bơm, chất lỏng đợc cung cấp thêm năng lợng chảy vào ống đẩy lên bể chứa. 9.3.1. Lu lợng Lu lợng của bơm là lợng chất lỏng do bơm chuyển đi trong một đơn vị thời gian, ký hiệu là Q, đơn vị đo : m3/h, m3/s, l/s. 9.3.2. Cột áp 108 Cột áp của bơm là năng lợng đơn vị mà bơm truyền đợc cho chất lỏng (thờng ký hiệu bằng chữ H, đơn vị đo : m cột chất lỏng). Từ sơ đồ hệ thống làm việc của bơm (hình 9-1) ta có : H = E3 - E2 +++++=h222h33Zg2VpZZg2VpH ZgVVppH ++=2222323 (9-1) ở đây P2,P3 là những áp suất tuyệt đối, có thể đợc xác định thông qua dụng cụ do áp suất d (áp kế, chân không kế) nh sau : p2 = pa - pck p3 = pa - pak Thay vào (9-1) ta đợc : Hp p V VgZak ck=+++32222 (9-2) Khi không có các số liệu đo đợc cụ thể của bơm đang làm việc (pak,pck) mà chỉ có các số liệu yêu cầu của hệ thống trong đó bơm sẽ làm việc (p1,p2,Z, .) thì có thể tính cột áp yêu cầu của bơm nh sau : whhhgVpZpgV+++=+22222121 hay : p p VgZVghh wh2 1 12222 2 = + + + (9-3) Viết phơng trình Becnuli cho mặt cắt 3-3 và 4-4, mặt chuẩn là 3-3 có : p VgZp Vghd wd3 324 422 2 + = + + + Suy ra : p pZVghVgd wd3 4 42322 2 = + + + (9-4) Thay (9-3), (9-4) vào (9-1) ta tìm đợc cột áp yêu cầu của bơm : Hp pZ Z ZV Vgh hd h wd wh=+ + + ++ +4 1 42122 hay : Hp pZV Vghw=+ ++4 1 42122 (9-5) Từ đây ta nhận thấy cột áp yêu cầu của bơm cần phải khắc phục đợc : - Độ cao hình học của bơm (độ chênh lệch mặt thoáng chất lỏng ở bể chứa và bể hút) 109 - Độ chênh áp suất trên mặt thoáng ở bể chứa và bể hút - Độ chênh động năng giữa mặt thoáng bể chứa và bể hút - Tổn thất năng lợng trong ống đẩy và ống hút. Phơng trình (9-5) cho ta biết cột áp của bơm làm việc trong một hệ thống. Đó cũng chính là cột áp của hệ thống. Ta cũng có thể viết : H = Ht + Hđ (9-6) Trong đó : Hp pZt=+4 1 - Cột áp tĩnh của hệ thống. H hV Vgd w= +42122 - Cột áp động của hệ thống. Trờng hợp áp suất trên mặt thoáng bể hút và bể chứa đều bằng áp suất khí quyển và vận tốc trong ống đẩy và ống hút bằng nhau ta có : H = Z + hw (9-7) Chúng ta thờng dùng công thức (9-7) để xác định cột áp tính toán, khi thiết kế trạm bơm. 9.3.3. Công suất và hiệu suất Công suất thuỷ lực Ntl (công suất hữu ích) của bơm là công suất dùng để truyền trọng lợng của lu lợng Q với cột áp H : NQHtl= 1000 (Kw) (9-8) Trong đó : - Trọng lợng riêng của chất lỏng (N/m3) Q - Lu lợng của bơm (m3/S) H - Cột áp toàn phần của bơm (mH2O) Công suất đòi hỏi trên trục của bơm cần phải lớn hơn công suất thuỷ lực Ntl vì bơm phải tiêu hao một phần năng lợng để bù vào các tổn thất thuỷ lực, tổn thất ma sát giữa các bộ phận làm việc của bơm . [ ]NN QHtl= =1000 kw (9-9) < 1 - hiệu suất toàn phần của bơm (tính bằng %). = =NNtlH Q C (9-10) Trong đó : H - hiệu suất thuỷ lực Q - hiệu suất lu lợng C - hiệu suất cơ khí. 110 Khi chọn động cơ để kéo bơm, cần phải chọn công suất động cơ Nđc lớn hơn công suất tại trục bơm để đề phòng các trờng hợp qúa tải bất thờng và bù vào tổn thất do truyền động từ động cơ đến bơm. NkNdctr= (9-11) Trong đó : k>1 - Hệ số an toàn phụ thuộc vào từng loại bơm, động cơ và công suất làm việc. tr - Hiệu suất truyền từ động cơ đến trạm bơm. 9.3.4. Chiều cao hút cho phép của bơm. Hiện tợng xâm thực Bất kỳ một loại bơm nào khi làm việc cũng có hai quá trình hút và đẩy chất lỏng. Quá trình hút chất lỏng, bơm phải tạo đợc độ chênh áp suất nhất định giữa miệng hút của bơm và mặt thoáng bể hút. 21ppHh= (9-12) Nếu p1 = pa thì cột áp hút chính bằng cột áp chân không tại lối vào của bơm : H Hp ph cka= =2 (9-13) 221Zh1P1 Hình 9-2 Từ (9-3) có thể viết: wh22h2aCKhg2VZppH ++== (9-14) Ta nhận thấy cột áp hút của bơm tuỳ thuộc vào trị số của áp suất trên mặt thoáng của bể hút mà áp suất này có giới hạn nhất định. Trong trờng hợp p1 = pa, theo (9-14) khả năng hút tối đa của bơm ứng với p2 = 0 là: Hh = Hckmax = ap = 10 m H2O. Biết rằng áp suất khí quyển pa phụ thuộc vào độ cao tại vị trí đó so với mặt nớc biển (bảng 9-1). Thực tế thì cột áp hút lớn nhất của bơm (khi p1=pa) không bao giờ đạt đợc đến 10mH20 vì áp suất tại miệng vào của bơm không thể bằng 0 đợc. Khi p2 nhỏ đến một mức nào đó bằng áp suất bay hơi bo hoà (pH) của chất lỏng thì sẽ gây ra hiện tợng xâm thực trong bơm. Bảng 9-1 111 Độ cao trên mặt biển m -600 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1500 2000 pam , 11,3 10,3 10,2 10,1 10,0 9,8 9,7 9,6 9,5 9,4 9,3 9,2 8,6 8,2 Trị giá của pH phụ thuộc vào nhiệt độ của chất lỏng làm việc (bảng 9-2) Bảng 9-2 Nhiệt độ toc 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 pHm , 0,09 0,12 0,24 0,43 0,75 1,25 2,00 3,17 4,80 7,10 10,33 Vậy điều kiện để cho bơm làm việc đợc là : H Zvgh Hp ph h wh CKa H= + + < =222max (9-15) Từ đó ta xác định đợc chiều cao hút cho phép ([Zh]) của bơm là [ ]Zp p vgh hha Hwh= + + + 222 (9-16) ở đây : h - cột áp chống xâm thực đợc xác định bằng thực nghiệm. Trong trờng hợp quan hệ (9-15) không thoả mn (nghĩa là p2 pH), sẽ xảy ra hiện tợng chất lỏng bắt đầu bay hơi, gián đoạn dòng chảy và bơm không làm việc đợc. Hiện tợng đó gọi chung là hiện tợng xâm thực. Sự xâm thực là quá trình hiện tợng phức tạp xảy ra trong bơm: - Sự bay hơi và hoà tan hơi trong chất lỏng ở tất cả các vùng có áp suất bằng hay nhỏ hơn áp suất bay hơi bo hoà. - Sự tăng cao tức thời tốc độ chuyển động của chất lỏng tại chỗ gây nên sự bay hơi và làm chất lỏng chuyển động hỗn độn. - Ngừng tụ những bọt hơi nớc chảy trong dòng chất lỏng ở vùng có áp suất cao. Sự ngừng tụ bọt hơi nớc làm giảm đột ngột thể tích và gây ra va đập thuỷ lực trong những vùng cực nhỏ, phá hoại cơ học bộ phận làm việc của máy bơm. - Sự ăn mòn hoá học kim loại trong vùng xâm thực bằng ôxy của không khí, sinh ra từ chất lỏng, khi nó đi qua vùng có áp suất thấp. 112 Sự ăn mòn tác dụng đồng thời với phá hoại cơ học làm giảm độ bền các chi tiết của bơm bằng kim loại. Sự xâm thực làm giảm hiệu suất, cột áp, năng suất bơm và dẫn đến bơm không làm việc đợc. Để ngăn ngừa hiện tợng xâm thực, nâng cao chiều cao hút cho phép của bơm, từ (9-16) ta nhận thấy chiều cao hút của bơm giảm nếu : - Hạ thấp áp suất trên mặt thoáng của chất lỏng trong bể hút. - Tăng cao áp suất bay hơi bo hoà do tăng nhiệt độ chất lỏng hút - Tăng vận tốc chất lỏng chỗ đi vào bánh công tác. - Tăng cột áp chống xâm thực. . 10,2 10,1 10,0 9, 8 9, 7 9, 6 9, 5 9, 4 9, 3 9, 2 8,6 8,2 Trị giá của pH phụ thuộc vào nhiệt độ của chất lỏng làm việc (bảng 9- 2 ) . p pZVghVgd wd3 4 42322 2 = + + + ( 9- 4 ) Thay ( 9- 3 ), ( 9- 4 ) vào ( 9- 1 ) ta tìm đợc cột áp yêu cầu của bơm :